Идентификация сесквитерпенов, выделяемых колорадским жуком Leptinotarsa decemlineata Say и листьями картофеля Solanum tuberosum L. тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Академия наук Республики Башкортостан Уфимский научный центр Российской академии наук

Институт нефтехимии и катализа

На правах рукописи

Халилова Алия Зуфаровна

УДК 547.913.2:543.51:547.314

Идентификация сесквитерпенов, выделяемых колорадским жуком Leptinotarsa decemlineata Say и листьями картофеля Solanum tuberosum L.

02.00.03-0рганическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор химических наук, профессор, член-корр. АН РБ В.Н. Одинокое

доктор химических наук У.А.Балтаев

Научные руководители:

Уфа-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3-5

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Хемокоммуникация растений и насекомых 6-38

1.1. Хемокоммуникация во взаимодействии насекомых и растений. Классификация. 6-18

1.2. Биологически активные соединения картофеля Solanum tuberosum L. 19-22

1.3. Влияние веществ запаха картофеля на поведение колорадского жука 22-38

Глава 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 39-60

2.1. Сесквитерпеновый состав нативного запаха листьев картофеля Solanum tuberosum L. 39-53

2.2. Идентификация сесквитерпенов летучих выделений колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say 54-55

2.3. Ольфакторная реакция колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say на пары кариофиллена 55-58

2.4. Пищевой преферендум колорадского жука Leptinotarsa decemlineata Say в отношении различных сортов картофеля 58-60

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 61-92

ВЫВОДЫ 93

ЛИТЕРАТУРА 94-103

ВВЕДЕНИЕ

Химические вещества, выделяемые листьями и цветами растений, играют важную функцию привлечения насекомых к растению-хозяину. Развитие методов установления структуры предельно малых количеств органических соединений в сложных смесях позволило решать задачи идентификации компонентов нативных летучих выделений растений и насекомых с целью выявления их хемокоммуникационных взаимоотношений.

В качестве объекта исследования в данной работе выбрана биологическая пара: картофель и один из его наиболее опасных вредителей -колорадский жук.

Картофель Solanum tuberosum L. - ценный и незаменимый продукт питания, необходимое сырье для промышленности, один из основных кормов в животноводстве. В мировом производстве продукции растениеводства картофель занимает одно из первых мест. Его возделывают в 130 странах мира на площади около 20 млн. гектар и ежегодно собирают 300 миллионов тонн клубней. Основные посадки картофеля (около 80%) размещены в условиях умеренного климата. Широкое распространение в этой зоне основного вредителя картофеля - колорадского жука Leptinotarsa decernlineata Say представляет реальную угрозу картофелеводству. Согласно оценочным наблюдениям колорадский жук уничтожает от 20 до 50% урожая. Для борьбы с этим вредителем используют агротехнические мероприятия, химические и биологические методы. Экологически наиболее безопасными считаются биологические методы борьбы. Однако, в природных условиях Российской Федерации для сдерживания численности вредителя на экономически безопасном уровне использование естественных врагов колорадского жука (жужелицы, клопы, божьи коровки, пауки,

нематоды, златоглазки) явно недостаточно, а применение традиционных пестицидов представляет определенную опасность для окружающей среды.

В этой связи, представляется актуальным установление состава летучих компонентов выделений картофеля и колорадского жука с целью выявления химических соединений, которые могли бы в перспективе служить основой для создания новейших препаратов, способных управлять поведением насекомых.

Представленная работа выполнялась в рамках темы лаборатории выделения и идентификации органических соединений Института нефтехимии и катализа Академии Наук Республики Башкортостан и Уфимского научного центра Российской академии наук "Выделение, идентификация, исследование биологической активности и влияния на поведение насекомых растительных веществ стероидной и терпеноидной структуры" (2.29.8.2. Природные феромоны, аттрактанты, репелленты и экдистероиды).

Задачей настоящей работы является установление химического , , ; состава нативных веществ, выделяемых; листьями картофеля Solanum tuberosum L. в естественных условиях его произрастания, и колорадским жуком Leptinotarsa decemlmeata Say, и выяснение причин привлекательности листьев пасленовых для этого вредителя, что может быть использовано при создании принципиально новых методов борьбы с ним.

В работе впервые идентифицирован сесквитерпеновый состав летучих выделений листьев картофеля Solanum tuberosum L. в естественных условиях его произрастания и колорадского жука Leptinotarsa decemlmeata Say методом динамической газовой экстракции с последующим криогенным фокусированием и газо-хроматомасс-спектрометрическим (ГХ-МС) детектированием.

Установлено, что основным компонентом нативного запаха картофеля является сесквитерпеновый углеводород шрш/с-кариофиллен. Из минорных

компонент идентифицированы: z/г^окариофиллен, а-иланген, а-копаен, ß-бурбонен, /?-элемен, 2-/?-фарнезен, аромадендрен, а-гумулен, а-элемен, ß-бисаболен, у-кадинен, ¿ькадинен.

В составе летучих выделений колорадского жука идентифицированы /77/?аис'-кариофиллен и гермакрен-D. Также установлена ольфакторная реакция колорадского жука на присутствие трянс-кариофиллена. Обнаружена корреляция между его содержанием в летучих выделениях картофеля и привлекательностью соответствующего вида картофеля.

Установлен пищевой преферендум для колорадского жука сортов картофеля с более высоким содержанием тдонокариофиллена, что позволяет рекомендовать для широкой интродукции те сорта, нативный запах которых содержит наименьшее количество этого соединения. Обнаруженная ольфакторная реакция колорадского жука на кариофиллен может представить практический интерес при создании препаратов для привлечения имаго колорадского жука в ловушки.

■ , Литературный обзор посвящен изучению проблем хемокоммуникации -вv.'биологической паре: картофель Solanum tuberosum /,. и его наиболее опасный вредитель - колорадский жук Leptinotarsa decemlineata Say.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Хемокоммуникация растений и насекомых

Проблема хемокоммуникации насекомых и растений-хозяев вызывает большой интерес исследователей в связи с перспективами создания средств борьбы с вредителями культурных растений, альтернативных традиционным инсектицидам, негативно влияющим на состояние агробиоценозов. К основным проблемам, возникающим при использовании инсектицидов, можно отнести следующие:

1. Инсектициды, как правило, не обладают селективностью действия, проявляя токсичность не только по отношению к вредителям, но и ко многим полезным насекомым, а также теплокровным животным.

2. Насекомые способны вырабатывать устойчивость (резистентность) к регулярно применяемым инсектицидам за время жизни нескольких поколений.

3. Большинство из широко применяемых инсектицидных препаратов трудно разлагается, ^ окружающей среде и накапливается в пищевых цепях.

В этой связи, все большее внимание исследователей привлекается к поиску экологически безопасных средств и методов защиты растений от вредных насекомых на основе изучения биохимических основ взаимоотношений насекомых-вредителей и растений-хозяев. Изложению результатов этих исследований посвящен данный обзор.

1.1.Хемокоммуникация во взаимодействии насекомых и растений

Классификация

Результаты многочисленных научных исследований убедигельно показали, что взаимоотношения насекомых и растений построены на основе химических веществ, т.е. общение происходит с помощью «химического языка». Восприятие насекомыми химических веществ, выделяемых растениями (хеморецепция), дает возможность осуществлять одну из главных

жизнеобеспечивающих функций организма, а именно - поиск пищевых субстратов [1].

Природа химических стимулов, определяющих межвидовые отношения в биоценозах, весьма многообразна. Для описания взаимодействия между насекомыми и растениями предложена следующая классификация химических веществ [2,3]:

1.Аттрактанты - вещества, вызывающие движение насекомых в направлении источника запаха растения.

2.Аррестанты - вещества, вызывающие резкое замедление реакции, способствуя агрегации насекомых.

3.Стимуляторы - вещества, побуждающие насекомых к определенным действиям, например, к питанию или откладке яиц.

4.Репелленты - вещества, вынуждающие насекомых к движению в противоположную от источника запаха сторону.

5.Детерренты - вещества, подавляющие реакцию на питание или размножение.

. г. Аттрактанты (от латинского слова аИгаИп - притягиваю к себе) - это

. '">«"у^-ир«родньга или синтетические вещества, которые? привлекают насекомых и животных, воздействуя на хеморецепторы. Они широко используются как приманки в ловушках для уничтожения насекомых-вредителей л определения степени зараженности посевов, а также для борьбы с грызунами [4]. Их можно использовать в сочетании с ядами, хемостерилизаторами и в качестве химических приманок для оценки плотности популяции вредителей в программах интегрированной борьбы с ними.

Монотерпены нектара цветов являются, как правило, веществами, привлекающими насекомых. Так, в составе эфирных масел хмеля обнаружены мирцен (1) и оцимен (2), в лавандовом масле - линалоол (3) и его ацетат (4), которые служат аттрактантами для насекомых - опылителей [5].

он

С Н3

с=о

I

о

1 2 3 4

Действующее начало горчицы синигрин (5) играет роль пищевого аттрактанта для бабочки-капустницы Pieris brassicae и капустной тли Brevi-coryne brassicae. Для взрослых самок это вещество является стимулятором яйцекладки. Капустную тлю можно заставить питаться другими растениями, например, бобами Vicia faba, если их листья смочить раствором данного гли-козида [6,7].

Личинки луковой мухи Hylemyia antigua питаются в основном листьями лука, которые продуцируют ряд летучих соединений серы, обладающих резким запахом. Два из этих соединений- дипропилсульфид (6) и пропилмер-каптан (7) действуют как аттрактанты по отношению к взрослым самкам насекомых. Полевые опыты показали, что эти вещества особенно интенсивно привлекают оплодотворенных самок [8].

N0S03H

S-Глю

6 7

Кожура яблок содержит ациклический сесквитерпен а-фарнезен (8) [9], который привлекает личинок яблонной плодожорки Laspeyresia pomoneUa [10]. Кариофиллен (9) привлекает зеленую златоглазку Chrysopa carnea, а эпоксид кариофиллена (10) - жука-хищника Collops vittatus. Смесь этих соединений является аттрактантом для самцов розового коробочного червя хлопчатника Pectinophora gossypiella [11]. Пищевым стимулятором для забо-

лонника вязового Scolytis multistriatus является гидрохинон (11) [12]. В летучих веществах из сортов банана, чувствительных к банановому долгоносику, обнаружен 1,8-цинеол (12), который оказался аттрактантом для данного насекомого. Устойчивые сорта бананов не содержат 12, но в них имеется р-фелландрен (13), который обладает электрофизиологической активностью [13]. В летучих маслах растений Cassia fistulosa и Zieria snuthii содержится в большом количестве метилэвгенол (14), который является сильным пищевым аттрактантом для восточной фруктовой мушки Dacus dorsalis. Цветы этих растений используют в качестве приманки, когда размножение этих насекомых приобретает размеры, угрожающие фруктовым . садам [14]. Бабочки озимой совки (Scotia segetum Schiff.) после выхода из куколок нуждаются в дополнительном питании цветущей люцерны, которую они находят по ее запаху и содержащемуся в нем веществу - ветиверилацетату [15].

8

ОН

ОН

11

12

' 11

13

О

10 ОСН,

СН,

14

Известно, что одно и то же вещество может вызывать множественные эффекты на поведение насекомых. Проведение строгого разграничения между аттрактантами и аррестантами довольно трудно, и, по-видимому, многие аттрактанты в более высоких концентрациях становятся аррестантами.

Запах растения-хозяина часто действует в качестве стимулятора на насекомых, вызывая те или иные поведенческие реакции. Так, например, в отсутствие фасоли девственные самки зерновки фасолевой АсамНозсоБсеШез оЫес1т не откладывают яиц, а присутствие растения-хозяина стимулирует оогенез и откладку яиц [16].

Де Билд отмечал [17], что запах листьев картофеля привлекает колорадских жуков на расстоянии до 6 метров, действуя как пищевой аттрактант. В то же время этот запах вызывает агрегацию жуков, выступая в качестве ар-рестанта.

Кроме названных выше веществ, в таблице 1 приведен ряд характерных примеров взаимодействия насекомых и растений с участием пищевых аттрактантов.

Таким образом, во взаимодействии растений и животных участвуют вещества многих классов химических соединений, причем в качестве пищевого аттрактанта действует, как правило, несколько соединений. Так, число активных компонентов для бражника катальпового достигает четырнадцати соединений [18]. Следует заметить, что среди такого рода веществ встречаются и токсичные для насекомых, например, горькие кукурбитацины, ядовитый алкалоид спартеин, острый алилизотиоцианат горчичного масла.

Название «репеллент» происходит от латинского слова гереПепйБ - отталкивающий, отвращающий [4]. Некоторые растения издавна применялись для отпугивания вредных насекомых при хранении семян и для защиты тела человека от укуса насекомых.

Термин «детеррент» (латинское с!е - от, 1еггеге - пугать) охватывает более широкое понятие, включая, кроме репеллентов, вещества с токсическим и подавляющим полностью пищевой рефлекс насекомого действием (антифиданты) и вещества, снижающие питательную ценность корма (танни-ны, ингибиторы ферментов). При добавлении в пищу колорадских жуков водных и спиртовых экстрактов растений выявлено сильное антифидантное

Таблица 1.

Пищевые аттрактанты насекомых [18].

Классы и виды насеко- Растение-хозяин Химические .аттрактан-

мых ты

Тли:

Brevicoryne brassicae L. Капуста полевая Глюкозиналат:

Brassica campestris L. синигрин

Acyrthrosiphon Жарковец метельчатый Алкалоид хпартеин

spartii Kalt. Sarothamnus scoparius

(L.) Koch.

Жуки: Очереднопыльник Флавон: 6-

Agasioles sp. Alternanthera phylloxe- метоксилутеолин-7-

roid.es (L.)DC. рамнозид

Дыня шерстистая Тритерпеноиды:

Di.abroti.ca undecim- Citrullus lanatus Trunb. кукурбитацины

punctata

Слива Флавоноиды:

Scolitus mediterraneus Prunush таксифолин,

Rats. пиноцембрин,

дигидрокемферол

Вяз европейский •: Флавоноид: катехин-7-

Scolitus mul.tistriat.us Ulmus europea L. 7;...<.,-.•. < ксилозид

Sechst. Тритерпеноид:

лупеилцеротат

Бабочки: Фенхель обыкновенный Эфирные масла

Pap il lo ajax L. Foeniculum vulgare Mi.ll.

Капуста полевая Глюкозиналат:

Pwris brassicae L. Brassica campestris L.. синигрин

Моли: Шелковица Флавоноиды и эфирные

Bombyx m or i L. Morus nigra L. масла

Каталпа Иридоидные гликозиды

Ceratomía calalpae Catalpa sp.

Долгоносик: Донник белый Кумарин

Siionia cylmdricollis L. Melilotus albus Medic.

действие водного экстракта живучки Ajuga reptans и спиртовых экстрактов хмеля Humulus lupulus, аира Acorus calamus и полыни Artemisia absinthium [19].

В данном обзоре детерренты представлены гликозидами, алкалоидами, сапонинами, пиретринами и терпеноидами [20].

Гликозиды занимают заметное место как в растительном, так и в животном мире. Они широко представлены в растениях: в их число входят пигменты цветов, ароматические вещества, многие природные красители. Интересным типом биологической активности обладают цианогенные гликозиды, агликонами которых являются соединения, содержащие синильную кислоту в связанном состоянии (амигдалин 15), выделяющуюся при энзиматическом расщеплении. Тиогликозиды (глюкозинолаты) встречаются в более чем десяти семействах растений, в том числе у крестоцветных. Содержащийся в белокочанной капусте вышеупомянутый глюкозинолат синигрин (5) является не только аттрактантом, он оказался токсичным для многих насекомых. Кормление гусениц парусника (.Papilio polyxenes) сельдереем в виде 0,1 % рае i вора (5) вызывает 100 % смертность гусениц [21]. Изучено влияние глюкозинолатов рапса и сапонинов (гликозидов терпеноидной и стероидной природы) люцерны на поведение и развитие личинок и имаго колорадского жука. При содержании насекомых на листьях картофеля, обработанных исследованными веществами, высокую антифидантную активность проявили сапонины [22].

/N

н—С—CN I

0-Генциобиоза

J

"N'

N

I

СН3

i

н

4N

15

16

17

Алкалоиды - азотсодержащие органические основания, встречающиеся в растениях и обладающие выраженной физиологической активностью, в последнее время обнаружены и в ряде видов животных, в грибах и водорослях. Среди алкалоидов наиболее изученными являются никотин (16) (из табака Ni.coti.ana tabacum), анабазин (17) (из ежовника Anabasis aphylla L.), кониин (18) (из болиголова Conium maculatum L.) [23].

Гиперицин (19) (из зверобоя Hypericum, perforatum L.) накапливается в организме травоядных и вызывает у них повышенную чувствительность кожного покрова к действию света и кислорода воздуха, в результате чего животное сильно раздражается [24]. С другой стороны, (19) стимулирует появление пищевого рефлекса у насекомого Chrysolina brunsvicensis [25].

ОН О он

. N "'(СН2)3СН3

н

18 он Q - ¿м

19

Из ромашки далматской Pyrethrum cinerariefolium Vis. выделены шесть веществ, представленных сложными эфирами хризантемовой кислоты и али-циклическими кетоспиртами [5, 26]. Инсектицидны�